激光测距仪远程控制系统设计

第２５卷第９期　国外电子测量技术　Ｖｏ１．２５．Ｎ　ｏ．９　Ｓｅｐ．，２００６　２００６年９月　Ｆｏｒｅｉｇｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　团困圈　激光测距仪远程控制系统设计　余华涛　陶玉茂黄启俊　（武汉大学物理科学与技术学院　武汉４３００７２）　摘要：介绍利用单片机控制激光测距仪并提取其数据，采用ＲＳ４８５协议作为远程传输标准与嵌入　到上位机的测控软件双向通讯，实现激光测距仪分布式远程控制的系统。分布式测距系统集成多个　测距仪，实现对各个测距仪在软件中的管理，发挥激光测距仪的非接触高精度安全测量、基于ＲＳ４８５　分布式系统的远程可靠多点测量的优点和软件集成的高效率和测量自动化。　关键词：激光测距仪远程控制单片机串行通讯　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｉｎｇ　Ｙｕ　Ｈｕａｔａｏ　Ｔａｏ　Ｙｕｍａｏ　Ｈｕａｎｇ　Ｑｉｊｕｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ　ＭＣＵ　ｔｏ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｎｄ　ＲＳ４８５　ｓｅｒｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ａｓ　ｒｅｍｏｔｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｔｈｅ　ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｈｏｓｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ａｎｄ　ＭＣＵ　ｉｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｌｌ　ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｉｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｅｎｄｏｗ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｕｎｔｏｕｃｈａｂｌｅ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｓａｆｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｉｎｇ，ｒｅｍｏｔｅ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＲＳ４８５　ｄｉｓｔｒｉｂｕ—　ｔｉｏｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｉｎｇ，ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ＳＣＭ，ｓｅｒｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．　０　引　言　莱卡公司生产的手持式激光测距仪ＤＩＳＴＯ作　为一种非接触型测距仪，其测量方式简单，可以在　短时间较精确地完成测距，克服以往的测距仪速度　针对这些问题，开发了激光测距仪的远程控制　器和相关上位机软件，采用ＲＳ４８５标准传输数据，　操作人员只要在控制室的上位机上通过控制软件　的虚拟平台就能在线控制测距仪的开关、模式控　制、数据读取，并且可以与打桩主机系统集成控制　打桩机。由于采用ＲＳ４８５的远程传输协议，实现的　远程控制距离可以达１ｋｉｎ以上。既发挥测距仪的　非接触测量优势又实现远程控制的安全可靠性，而　且上位机软件对测控平台的虚拟化也为测控系统　集成带来可能。　慢、效率低、精确度差等缺点，尤其是测量中激光测　距仪的可见红色激光点的优势特别让测量员称赞。　在诸如石油开采平台打桩系统的项目中，需要　测距仪对打桩机进行非接触、连续、多台同时测量，　将数据远程传输到打桩主机控制系统，并嵌入到上　位机的测控软件中。手持测距仪必须要人工参与　才能完成测量任务，测量数据由人工读取，效率低　且容易出错，而且在危险的地方无法进行测量。带　有通讯功能的测距仪传输距离一般小于１２ｍ，距离　太短，达不到现场要求。打桩系统还要求多台测距　仪同时进行测量，因此，用手持测距仪和带有通讯　功能的测距仪的方案不便于软件集成，无法和其他　系统集成。　１　远程测距系统的总体结构　图１为系统总体结构，在具体环境按需求将多　台激光测距仪及其远程控制器分别安装在测量点　上并分别通过ＲＳ４８５连接上位机，构成远程分布式　测控系统。上位机软件分别控制各测距仪和读取　测量数据，作为控制打桩机的参数。　作者简介：余华涛（１９８１一），男，武汉大学物理科学与技术学院研究生，主要研究方向为数字集成电路与电子系统的设计。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第９期　余华涛，等：激光测距仪远程控制系统设计　图１　系统总体结构　２　测距仪结构分析　激光测距仪是系统测量的关键，所选用的手持　激光测距仪具有连续测量，精度高，速度快等特点。　进行硬件分析发现，测距仪电路可分为图２所示的　３部分：键盘部分，核心处理器部分，ＬＣＤ液晶显示　屏。其中虚线框代表控制器对测距仪的控制与数　据提取。　虚拟．艟舟广一　　测量与处理　ｌｌ　　提取　］　Ｌ．：＝　一　核心处理器　～．ｈ　Ｉ＼／１『　　一ｌ…　，一　…　Ｉ　一ｌ　；旦奠　醒盥ｌ／＼　ｌ侧　ｌ　—ｌ　ｑｗ　图２　测距仪结构　２．１键盘部分　完成对ＤＩＳＴＯ开关和控制信号输入的功能。　开关采用单独２根线控制，其它控制信号采用３×５　的行列式矩阵键盘排列而成。在应用于系统中时，　只保留了３个按键：开关、单步测量和连续测量的　按键。　２．２核心处理器部分　完成测量激光的驱动、发射，接收激光信号的　检测，测量结果的计算，状态控制等核心处理功能。　此部分主要由两块ＡＳＩＣ芯片、激光发射管、激光接　收器和相关电路组成。两块ＡＳＩＣ芯片是核心处理　控制器。　２．３　ＬＣＤ液晶显示屏　完成测量输入、测量方式和ＤＩＳＴＯ状态的显　示，共有８根连线传输信号。其中有５根电源和背　景灯线，剩余３根线是数据线，并且信号是经驱动芯　片驱动后再送ＬＣＤ，有足够的驱动强度余量。核心　处理器是通过串行的方式将数据通过这３根信号送　往ＬＣＤ进行显示的。　信号分析可以看到，这是一个串行移位通讯的　电路信号。由片选握手信号、移位时钟信号、数据　发送信号这３个部分组成。总的时序如图３所示，　描述如下：在１＃选通线的低电平周期内，系统通过　２＃时钟驱动将３＃的数据信号送给ＬＣＤ。　３＃数据釜主主　蔓芝王　主　耋薹立三　．二立王　立三王　三　：　ｚ　时　ｒ＿］厂］　ｒ－１　ｒ＿］ｒ＿］ｒ＿１厂　图３　测距仪系统信号分析　以上３部分是通过接口座用扁平线相互连接，　提供了方便的控制和取出数据的通道。仪器控制　可以通过外部虚拟键盘来完成控制仪器的目的。　对仪器测量数据的取出是通过检测仪器送往Ｉ．ＣＤ　的数据，从中提取有用信号后再按照仪器编码规律　提取数据，得到的数据再依照远程传输协议远程传　输给上位机进行处理。　３　硬件实现　３．１　总体硬件结构　测距仪控制器如图４所示，是一个基于单片机　的系统设计。从图４中可以看出，单片机首先通过　测距仪的ＬＣＤ接口获取测距仪的初始数据，再在内　部解码后得到测距仪的测量数据和状态。对测距　仪的控制是通过虚拟键盘来模拟测距仪面板开关，　实现系统所需要的开关、单步或连续测量功能，由　上位机发送来的指令来选择模式。与上位机通讯　的数据包中包含有测量数据、测距仪ＩＤ、同步字符　和数据校验部分。其中测距仪ＩＤ是上位机识别多　台测距仪并分别管理的标识。同步字符和数据校　验是可靠数据传输的保障。电平变换部分为ＴＴＬ／　ＲＳ２３２和ＲＳ２３２／ＲＳ４８５的电平转换，ＲＳ４８５传输协　议保证了与ＰＣ机的可靠远程通讯。　圃　片选　一　显　不接口　　母圃　　片苴　部　机　分圃　图４　测距仪控制器硬件结构　维普资讯 http://www.cqvip.com

３４　国外电子测量技术　第２５卷　３．２具体电路设计　系统的硬件电路选用８９Ｃ５２单片机作为　处理芯片。整个系统电路分成５个部分：电源电路，　数据提取处理部分，远程通讯部分ｌ＿ｌ七］，键盘控制部　分，看门狗和复位电路部分。　３．２．１　电源电路　系统的电源是通过外部的电压适配器提供的。　系统采用三端稳压器将外部电源进行电压变换，输　出稳定的５Ｖ和３．３Ｖ的直流电压，分别供单片机系　统和测距仪＿３Ｊ。　３．２．２数据提取处理部分　由硬件信号分析可以看到，测距仪送ＬＣＤ显示　的数据格式是一个串行输入的模式。有硬件握手　信号，同步移位时钟和数据线。要接收这种格式的　数据必须要求硬件同步的串口接收电路。这里采　用的是“串人并出”的接收方式，即用７４ＬＳ１６４等串　并转换芯片完成同步接收串口信号并且转换为并　行数据，外加上一个外部的时钟分频芯片　（７４Ｉ　Ｓ１６１）来对时钟线进行分频计数，配合完成一　个８位并行数据包的接收。接收的数据先存储在　ＲＡＭ中，在获取全部数据后再对缓冲区的数据进　行译码处理。得到的有效数据与同步字符、设备编　号、校验位压缩后作为远程传输的数据，发送给上　位机。　３．２．３远程通讯部分　远程传输采用的是全双工ＲＳ４８５［　］信号，串行　数据先被转换为ＲＳ２３２标准信号再用的ＲＳ４８５标　准接口器件转换后发送出去，ＰＣ机上用相应的标　准结构器件连接，实现ＰＣ机到控制台的全双工通　讯。ＲＳ４８５标准是技术先进的串行传输技术，采用　平衡差分传输技术，每路信号都使用一对以地为参　考的正负信号线，有效的共模抑制大大减小了地线　电位干扰，从而提高了传输速率和距离。实际应用　的标准器件带有光电隔离功能，进一步确保了信号　传输的可靠性。　３．２．４键盘控制部分　对仪器的控制，完成模拟仪器键盘部分的功能　是巧妙地通过模拟开关来实现的。由于仪器是一　个矩阵键盘，采用双向键盘扫描来取得键值的，单　独的电压电平检测控制很难被正确扫描到。而采　用继电器导通时会因为继电器本身体积较大，难以　放置在仪器内部，造成接口困难。由于仪器的改装　只需要一个工作方式（连续测量的方式），因此只需　模拟键盘上的３个按键，这里采用ＣＤ４０５３模拟开　关选择导通相应的引脚，构成虚拟键盘，模拟按键　开关的。在实际的应用中也验证了导通相应的线　可以很好的完成模拟按键的目的，实现了对仪器的　控制。　３．２．５看门狗和复位电路部分　设计使用看门狗的目的是做微处理器的一个　监控者。由于控制台工作在比较危险和复杂的环　境中，会受到各种各样的干扰，如电源及空间电磁　干扰，当它们超过抗干扰极限的时候，就有可能引　起微处理器死机。看门狗不仅提供了ＳＣＭ死机情　况下的复位并且辅助监控电源电压，并且能保证　ＳＣＭ的可靠上电复位，是可靠性系统设计的必备辅　助电路。　４　软件实现　系统软件的设计是利用ｋｅｉｌ　Ｃ５１语言［　和　ＶＣ＋＋ｌ６。］编写的程序实现所需要的功能。程序分　两个部分，一个是ＰＣ机对传到上位机测量的数据　处理软件，另一个是单片机控制的主程序。　４．１　ＰＣ机处理软件　测距仪的ＰＣ机软件作为项目系统的子系统，　需要完成以下３个功能：第一，识别各测距仪ＩＤ，显　示当前测量的数据；第二，动态显示各测距仪当前　的工作状态；第三，发送指令，实现对各测距仪的　控制。　４．２单片机控制软件　单片机程序主要完成和ＰＣ机的通讯、接收ＰＣ　机的控制信号开启测距仪、按照数据时序要求转换　处理数据、压缩处理数据和发送数据给ＰＣ机，其流　程如图５所示。以下是几个重要的函数：　・初始化函数：初始化单片机端口、定时器、中　断和串口的工作模式；　・按键处理函数：接到控制命令后通过虚拟键　盘来控制测距仪的工作状况；　・数据接受和发送函数：在串并转换接受数据　的过程中写入上次测量的数据到串口缓冲器，充分　利用串口中断，后台完成数据传输。　・数据转换函数：将接受到的数据按照测距仪　处理器发送给ＬＣＤ的数据格式还原为数据，是本软　件的核心部分。还原的数据再按照一定的格式压　缩，加上校验位后作为发送给ＰＣ机的数据。压缩　后的数据包含了测距仪的当前状态、测量数据和数　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第９期　余华涛，等：激光测距仪远程控制系统设计　据校验。　・的控制下，各个控制器能及时正确的响应并控制测　定时器中断：定时查询串口是否接收到数　据，响应看门狗。　距仪的开关和测距工作，所读取的数据也能正确传　回上位机，功能完全正确。　项目工程的应用中，在打桩船上安装了测距系　统硬件，利用上位机集成软件连续多天对放置在危　险、环境恶劣的地方的多台测距仪及其控制台进行　测试。结果表明：系统能正常的长时间连续工作，　数据通过１２００ｍ的ＲＳ４８５线发送给主机，并且其远　程的软件控制平台取代了手工的测量方式，实现对　多台测距仪的控制和显示，完成项目要求。　测距系统安全可靠的实现了激光测距的远程　读取与控制，经虚拟化后集成到上位机软件中，提　高了测量效率和方便了测量的软件集成，在工程应　用上具有大的意义。　参考文献　［１］肖毅，肖明．单片机抗干扰技术及应用ＥＪ］．电子世界，　２００２（１）：５４　５６．　［２］罗云，周薇溪，等．基于ＲＳ１８５总线的数字电视发射机　远程监测系统［Ｊ］．国外电子测量技术，２００５（１０）．　［３］谢自美．电子线路设计・实验・测试［Ｍ］．武汉：华中　科技大学出版社：９２－９９．　［４］谢瑞和．串行技术大全［Ｍ］．北京：清华大学出版社．　［５］马忠梅，籍顺心，张凯，等．单片机的Ｃ语言应用程序设　计［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社．　［６］胡腾飞，张永德，于爽．ＶＣ＋＋数据库与串口编程在设　图５　单片机软件流程图　５结果与结论　在完成控制器的外壳、电路和面板以及测距仪　的安装改造后对软硬件进行初步的调试。在上位机　术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术备监测中的应用［Ｊ］．国外电子测量技术，２００５（１１）．　［７］李现勇．Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋串Ｅｌ通信技术与工程实践［Ｍ］．　北京：人民邮电出版社．　术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术　凌华科技７月营收约１．５亿元年增率２４％　凌华科技公布７月份自结营收为新台币１．４９　亿元，较去年同月成长２４　；累计今年１月至７月　的营收已达到新台币１１亿９０００多万元，较去年同　期业绩大幅跃升５０　！　自第二季起至今，凌华科技先后发表数款工业　计算机新品及量测自动化新品，前者包含本季新推　出之ＰＣＩ　Ｅｘｐｒｅｓｓ规格３Ｕ　ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ高性能刀　通过欧洲Ｒｏｌｌｓ认证。同时，量测新品部分，凌华科　技近日发表１４槽３Ｕ　ＰＸＩ机箱ｒＰＸＩＳ－２６７０　Ｊ，此产　品提供１个ＰＸＩ系统槽与１３个ＰＸＩ／ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ　周边槽，高容量的特性适用于大量ＰＸＩ模块的复杂　运用，可同时选用搭配凌华科技Ｉｎｔｅｌ⑩Ｐｅｎｔｉｕｍ⑩　Ｍ高端ＰＸＩ控制器，多达三十种以上ＰＸＩ高速数据　采集卡，和全球超过９００种的各式ＰＸＩ模块。另　片处理单板ｃＰＣＩ－３９１５，搭载高效能低功耗的Ｉｎｔｅｌ　⑩Ｐｅｎｔｉｕｍ（Ｒ）Ｍ处理器和Ｉｎｔｅｌ⑩９１５　ＧＭＥ高速　芯片组，再搭配效能更高的ＤＤＲ２　４００／５３３内存，使　其具有更加长期的实用性与安全性。此产品已经　外，备受瞩目的凌华第三届“成就杯”有奖征文暨　“金点子”有奖征集活动开展在即，多重大奖等着您　（凌华科技供稿）